等强度原理在结构设计中的应用

在结构设计中，应使系统各部分具有接近于相同的承载能力，这就是等强度原理。符合等强度原理的结构，可使材料得到充分利用，改善经济性。如图6-20图a强度不等，且强度最差；图b强度不等，但强度得到加强；图c、d均为等强度结构，但前者适用于抗压的铸件，后者适用于抗拉的钢件。

等强原理的实质是通过最小成本实现相同功能。由于提高结构承载能力一般会增加成本，而系统整体承载能力却取决于其最薄弱的结构要素环节。因此，一般应针对薄弱环节提高结构承载能力，达到在等强度的前提下，使结构系统的总成本最低。同时，在应用该项原理中应该注意以下各点：

1）为了使零件的各个部位达到等强度（即等寿命），应分析同一零件不同部位的应力状态（包括拉、压、弯、扭、接触应力等）以及分析应力随时间的变化规律。并采用某些结构措施来降低高应力区的应力或提高低应力区的应力。如图6-21所示为增加能够约束零件高应力区变形的附件（包括加强肋、支撑、销、螺栓等）。图6-21中，x为存在高应力区的零件，而零件y为增加的附件。

图6-20 结构强度差异的对比

a）强度差 b）不等强 c）等强（适用于铸铁） d）等强（适用于钢）

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图6-21 增加能够约束零件高应力区变形的附件

图6-21中所示F为零件x的受力方向；f为零件x所受到的拉应力方向；F_xy为锥齿轮在剖面内的受力方向，F_z为锥齿轮在垂直剖面的受力方向。

2）在某些结构中，若追求等强度反而会增大成本，则应放弃等强原理。例如在滚动轴承轴系的结构设计中，经常会遇到同一轴系的两端的两个轴承的受力不同，此时如要追求等强，势必要选用不同型号的轴承。虽然可降低一点轴承的成本，但会大大增加箱体轴承孔加工的工艺成本，反而得不偿失。所以，应该放弃等强原理。

3）当不同结构要素的工作原理和承载能力相差很大时，为保护重要零件，在结构中，将承载能力较低的零件设计成为一种廉价、且易于更换的易损件。通过多次更换易损件的办法来实现等强度。例如自行车的车架、车把、轮胎和气门芯等，其承载能力相差很大，而将内胎和气门芯设计为易损件。

4）某些结构参数规定有标准系列值，在按等强原理设计后，尚应按照标准系列将参数圆整化。